Khóa luận tốt nghiệp Vật lý: Khảo sát động cơ khí nóng hoạt động theo chu trình Stirling

Nhiệt động lực học rađời như một khoa học vẻ sự truyền nhiệt và nghiên cứu về các quá trình xảy ra trong máy nhiệt -những cỗ máy đã lam thay đôi cá nên văn minh của nhân loại.. Nhiệt độn

BẠNHỌC - mm TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP HCM

sp SỐ

TP HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ

LUẬN VĂN TÓT NGHIỆP

DE TAI:

KHAO SÁT DONG CƠ KHÍ NÓNG HOAT

DONG THEO CHU TRÌNH STIRLING

SVTH: Lê Anh Đức

MSSV : K32.102.013

Nién khóa 2006 — 2010

Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S Luong Hạnh Hoa

LỜI NÓI ĐÀU

Nhiệt động lực học là một khoa học tương đối trẻ, ra đời vào đầu thế kỷ XIX Nhiệt động lực học rađời như một khoa học vẻ sự truyền nhiệt và nghiên cứu về các quá trình xảy ra trong máy nhiệt -những cỗ máy đã lam thay đôi cá nên văn minh của nhân loại.

Việc phát minh ra các máy nhiệt, đặc biệt là động cơ hơi nước, có một tầm ảnh hưởng vỏ cùng quan

trọng với lịch sử của các cuộc cách mạng công nghiệp.

Động cơ Stirling cũng thuộc nhóm động cơ đốt ngoài như động cơ hơi nước, nd được phát minh bởi

Robert Stirling vào năm 1816, trước ca động co Otto và Diesel Hiện tại động cơ này vẫn còn rất

nhiều những hạn chế can khắc phục, nhưng các nha chế tạo vẫn không ngừng quan tâm nghiên cứu

bởi một ưu điểm ma khó có một loại động cơ nao có được đó là khả nang sử dụng bat ki nguônnhiên liệu nào từ than củi, than đá, dầu mỏ, côn, năng lượng mặt trời

Với mục tiêu chính là nghiên cứu tông quan vẻ Nhiệt động lực học, máy nhiệt và đặc biệt là động cơStirling dé từ đó dé xuất khả năng ứng dung cũng như là sử dụng động cơ Stirling trong các bai thinghiệm Vật Lý Nâng Cao em đã chọn đẻ tài luận văn: "KHẢO SÁT DONG CƠ KHÍ NÓNGHOẠT DONG THEO CHU TRINH STIRLING”.

Luận văn sẽ bao gồm ba nội dung chính:

PHAN I: TONG QUAN VE NHIỆT DONG LỰC HỌC - MAY NHIỆT

PHAN 2: TONG QUAN VE DONG CO STIRLING

PHAN 3: BÀI THÍ NGHIEM SU DUNG ĐỘNG CO STIRLING

Em mong luận văn này sẽ được xem như một tải liệu dé các bạn sinh viên có thẻ tham khảo, nâng cao kiến thức và có thê vận dụng dé tien hành thí nghiệm thực tiễn Tuy nhiên, nội dung của luận

văn chi là những kien thức năm trong một phạm vi hệ thong kien thức rộng lớn, đòi hỏi phải có sự

nghiên cứu lâu dai, mà trong thời gian cho phép của luận văn thì em không thé tìm hiểu hết được.Hơn nữa, với tam hiểu biết và kiến thức còn nhiều hạn che, chắc chắn em sẽ không thẻ tránh khỏinhững sai sót trong khi thực hiện khóa luận này Em rất mong nhận được những ý kiến đóng gópcủa các Thay Cô và của các bạn sinh viên

Em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến Quý Thay Cô khoa Vật Lý , Trường DH Sư Phạm Tp HCM

đã tạo điều kiện thuận lợi trong qua trình học tập, cũng như trong thời gian em thực hiện luận văn.

Tiếp đến, em xin chân thành cảm ơn Cô Lương Hạnh Hoa và Thay Nguyễn Hoang Long — những

người Cô, người Thây đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em trong suốt thời gian lảm luận văn.

Sinh viên thực hiện luận văn:

Lê Anh Đức

Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S Luong Hạnh Hoa

PHAN1 TONG QUAN VE NHIỆT DONG LỰC HỌC - MAY NHIET

I Nhiệt động lực hoc

Nhiệt động lực học là khoa học về sự truyền nhiệt — là một lĩnh vực tương đối trẻ, ra đời vào đầu thé

kỷ XIX Nhiệt động lực học ra đời như một ngảnh khoa học về các quá trình xảy ra trong các máynhiệt ( máy hơi nước, máy lạnh, động cơ đốt trong ), nghĩa là như một khoa học về sự chuyên hóa

nhiệt thành công cơ học và ngược lại Trong quá trình phát trién lĩnh vực nghiên cứu của Nhiệt động

lực học đã mở rộng va mang tính chat của một khoa học vật lý cơ ban Ngày nay đối tượng nghiêncứu của nó là mọi quá trình chuyên hóa vật chất có gắn với sự tỏa hay hấp thụ nhiệt lượng sự thực

hiện công.

Nhiệt động lực học la môn học chuyên nghiên cứu mỗi liên hệ giữa các dang năng lượng khác vớinhiệt lượng và công cơ học, và sự chuyên hóa từ đạng năng lượng này sang đạng năng lượng khác

Nó dựa trên hai qui luật thực nghiệm cơ bản:

Qui luật thứ nhất nói lên sự tương đương giữa các dạng năng lượng Qui luật này không cho biết

dạng năng lượng khác nhau hay không mà chỉ cho biết sự tương đương vẻ số lượng giữa chúng ma

thôi.

Qui luật thứ hai nói lên tỉ lệ nhiệt lượng có thé biến thành công cơ học trong mỗi điều kiện, do đó

cho biết chiều hướng diễn biến của các qui luật tự nhiên.

Cũng như thuyết động học phân tử, đối tượng của Nhiệt động lực học 14 các hệ gồm rất nhiều các phân tử, vả quy luật của nó lả các qui luật thong kê chi đúng với đa số trường hợp va với các hệ có rất nhiều phân tử mả thôi Nó không thẻ áp dụng cho từng phân tử riêng lẽ vả trong từng trường hợp

cụ thẻ đều có ít nhiều sai lệch so với thực tế Đỗi với những hệ quá lớn ( Hệ mật trời, thiên ha ) thìcác qui luật của Nhiệt động lực học cũng mat đi ý nghĩa, vì ta không the khái quát hóa các qui luật

quan sát được trong một phạm vi hẹp vào một không gian rộng lớn hơn.

Thuật ngữ nhiệt động học (hoặc nhiệt động lực học) có hai nghĩa:

- Khoa học về nhiệt va các động cơ nhiệt (nhiệt động học cô điền)

- Khoa học vẻ các hệ thống ở trạng thái cân bằng (nhiệt động học cân bằng)

Ban đầu, nhiệt động học chi mang nghĩa thứ nhất Vé sau, các công trình tiên phong của Ludwig

Boltzmann đã đem lại nghĩa thứ hai.

Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S Luong Hạnh Hoa

Các nguyên lý nhiệt động lực học có thé áp dụng cho mọi hệ vật lý, chi can biết sự trao đổi nănglượng với môi trường mà không phụ thuộc vao chỉ tiết tương tác trong các hệ ấy

Albert Einstein đã dựa vào nhiệt động học đề tiên đoán vẻ phát xạ tự nhiên

“Nhiệt động lực học là lý thuyết vật lý duy nhất tổng quát, trong khả năng ứng dung và trong các cơ

sở lý thuyết của nó, mà tôi tin rằng sẽ không bao giờ bị lật đổ "- Albert Einstein

Nhiệt động học là một bộ phận của vật lý thong kê Cá hai đều nằm trong số những lý thuyết lớnlàm nén tảng cho những kiến thức đương đại về vật chất

Khái niệm trung tâm của nhiệt động lực học là nhiệt độ Từ nay quen thuộc đến nỗi hau hết trongchúng ta, vì hình thành nên từ cam giác nóng và lạnh, có xu hướng tin rằng chúng ta đã hiểu nó.Thực ra, cảm giác nhiệt độ của chúng ta không phải luôn luôn đúng Và khái niệm quan trọng nhất trong nhiệt động học là khái niệm nội năng Nội năng lả tat cả các đạng năng lượng chứa trong một

hệ cô lập Như vậy có nghĩa 14 nội năng gồm động năng phân tử, thé năng tương tác phân tử của hệ,

và kế cả năng lượng hạt nhân

Đối tượng của nhiệt động học là các hệ vi mô, tức 14 các hệ vật chất có chứa một số lớn các hạt

thành phan, Các hệ vi mô cũng được gọi là vật thé hay vật Các hệ này được khảo sát trong điều

kiện có chuyên động nhiệt nên còn gọi là các hệ nhiệt Sau này khi nói về hệ vật lý mà không nói cụthé, ta sẽ hi¢u ngam định là hệ nhiệt Mục đích của nhiệt động học như vậy là nghiên cứu các tinhchất của các hệ nhiệt.

Il Sơ lược lịch sử môn nhiệt động lực học

Trái với nhiều chuyên ngành vật lý khác, bộ môn nhiệt động học mới chỉ xuất hiện

cách đây chưa lâu.

Nhữừng nghiên cứu đầu tiên ma chúng ta có thé xếp vào ngành nhiệt động học chính là những côngviệc đánh dấu và đo nhiệt độ, lần đầu tiên được thực hiện bởi nhà khoa học người Đức GabrielFahrenheit (1686-1736) - người đã dé xuất ra thang đo nhiệt độ đầu tiên mang tên ông Trong thangnhiệt này, 32 độ F và 212 độ F 1a nhiệt độ tương ứng với thời điểm nóng chảy của nước đá vả sôi

của nước Nhà bác học Thụy Si Anders Celsius (1701-1744) cũng xây dựng nên một thang đo nhiệt

độ đánh số từ 0 đến 100 mang tên ông dựa vào sự giãn nở của thủy ngân.

Những nghiên cứu tiếp theo liên quan đến quá trình truyền nhiệt giữa các vật thể Nếu như nhà báchọc Daniel Bernoulli (1700-1782) đã nghiên cứu động học của các chất khí và đưa ra liên hệ giữakhái niệm nhiệt độ với chuyên động vi mô của các hạt Ngược lại, nhà bác học Antoine Lavoisier

Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S Luong Hạnh Hoa

(1743-1794) lại có những nghiên cứu và kết luận rằng quá trình truyền nhiệt được liên hệ mật thiết

với khái niệm đòng nhiệt như một đạng chất lưu

Tuy nhiên, sự ra đời thật sự của bộ môn nhiệt động học là phải chờ đến mãi thé ki thứ 19 với tên của nhà vật lý người Pháp Nicolas Léonard Sadi Carnot (1796-1832) cùng với cudn sách của ông mang tên "Y nghĩa của nhiệt động năng và các động cơ ứng dung loại năng lượng này" Ong đã nghiêncứu những cỗ máy được gọi là động cơ nhiệt: Một hệ nhận nhiệt từ một nguồn nóng đẻ thực hiện

công đưới đạng cơ học đồng thời truyền một phần nhiệt cho một nguồn lạnh Chính từ đây đã dẫn ra

nguyên lý bao toàn năng lượng (tiên dé cho nguyên lý thứ nhất của nhiệt động học), va đặc biệt,

khái niệm về quá trình thuật nghịch mà sau nảy sẽ liên hệ chặt ché với nguyên lý thứ hai Ông cũng

bảo vệ cho ý kiến của Lavoisier rằng nhiệt được truyền di dựa vao sự tổn tại của một dong nhiệt như

một dòng chất lưu.

Những khái niệm về công và nhiệt được nghiên cứu kĩ lưỡng bới nha vật lý người Anh James

Prescott Joule (1818-1889) trên phương diện thực nghiệm vả bởi nha vật lý người Đức Robert von

Mayer (1814-1§7§) trên phương diện lý thuyết xây dựng từ cơ sở chất khí Cả hai đều đi tới một kết quả tương đương về công và nhiệt trong những năm 1840 và đi đến định nghĩa về quá trình chuyên

hoá năng lượng Chúng ta đã biết rằng sự ra đời của nguyên lý thứ nhất của nhiệt động học là do

công lao to lớn của Mayer.

Nha vật lý người Pháp Emile Clapeyron (1799-1864) đã đưa ra phương trình trang thai của chất khi

lý tưởng vào năm 1843.

Tuy nhiên, chỉ đến năm 1848 thì khái niệm nhiệt độ của nhiệt động học mới được định nghĩa một

cách thực nghiệm bởi nhà vật lý người Anh, một nha qui tộc có tên là Sir William Thomson hay còn

gọi là Huan tước Kelvin (1824-1907).

Nguyên lý thứ hai của nhiệt động học đã được giới thiệu một cách gián tiếp trong những kết quả của

Sadi Carnot và được công thức hoá một cách chính xác bởi nha vật lý người Đức Rudolf Clausius (1822-1888) - người đã đưa ra khái niệm entropy vào những năm 1860.

Những nghiên cứu trên day đã cho phép nhà phát minh người Tô Cách Lan - James Watt

(1736-1819) hoản thiện máy hơi nước vả tạo ra cuộc cách mang công nghiệp ở thé ki thứ 19

Cũng cần phải nhắc đến nhà vật lý người Áo Ludwig Boltzmann (1844-1906), người đã góp phankhông nhỏ trong việc đón nhận entropy theo quan niệm thong kê và phát triển lý thuyết về chất khivào năm 1877 Tuy nhiên những người cùng thời không hiểu và công nhận, chỉ đến mãi về sau thi

Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S Luong Hạnh Hoa

tên tuôi ông mới được công nhận và người ta đã khắc lên mộ ông ở thành phố Vienne, công thứcnoi tiếng * S = k.InW;” mà ông đã tìm ra

Riêng vẻ lĩnh vực hoá nhiệt động, chúng ta phải ké đến tên tuổi của nhà vật lý Dức Hermann von

Helmholz (1821-1894) và nha vật lý Mỹ Willard Gibbs (1839-1903) Chính Gibbs là người đã có

những đóng góp vô cùng to lớn trong sự phát triển của vật lý thông kê

Cuỗi cùng, dé kết thúc lược sử của ngảnh nhiệt động học, xin được nhắc dén nha vật lý người Bigốc Nga Ilya Prigonine (sinh năm 1917) - người đã được nhận giải Nobel năm 1977 vẻ những phattriển cho ngành nhiệt động học không cân bằng

Ill Phương pháp nghiên cứu của nhiệt động học

Có hai phương pháp nghiên cứu hệ nhiệt:

- Phương pháp vật lý thông ké hay phương pháp động học phân tử

- Phương pháp nhiệt động lực học

1, Phương pháp vật lý thong kê hay phương pháp động học phân tử:

Phương pháp vật lý thống kê không đặt van đề xét chuyên động cha một phân tử riêng lẽ, ma xét chuyên động chung của một tập hợp rất lớn các phân tử cấu tạo nên vật Dé đặc trưng cho chuyên

động chung của các phân tử, di nhiên không thé lấy một giá trị của một đại lượng nảo đó đối với

riêng một phan tử ma rõ ràng là phải lay giá trị trung bình của đại lượng nay đôi với toan bộ các

những vậy, trong trường hợp mà lực tương tác giữa các phân tử không thê bỏ qua như trong khíthực, trong chất lỏng thì phương pháp thông kê trở nên kém hiệu lực Nó không mô ta va giải

thích được đúng dan các hiện tượng xảy ra đo sự tương tác giữa các phân ut

Vi vậy, dé nghiên cứu những hiện tượng liên quan đến chuyên động nhiệt, ngoài phương pháp thong

kê người ta còn dùng một phương pháp nghiên cứu khác gọi là phương pháp nhiệt động lực học.

Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S Luong Hạnh Hoa

2 Phương pháp nhiệt động lực học:

Phương pháp nhiệt động lực học hoàn toàn không khảo sat chỉ tiết các quá trình phân tử mà khảo satnhững hiện tượng xảy ra với một quan điểm duy nhất là sự biến đôi năng lượng đi kèm với nhữnghiện tượng ay Theo nguồn gốc lịch sử thì phương pháp này được phát sinh do khảo sát sự biến đỗinăng lượng chuyền động nhiệt (nhiệt năng) thành cơ năng dé chạy các máy nhiệt, vì vậy nên nó có

tên gọi là phương pháp nhiệt động lực học Tuy nhiên ngày nay phương pháp này đã vượt xa phạm

vi nghiên cứu ban đầu và được vận dụng đẻ xét sự biến đôi năng lượng nói chung cho các hiện

tượng đã xảy ra.

Khi nghiên cứu những tính chất của vật chất gây ra bởi chuyển động hỗn loạn của một tập hợp ratlớn các phân tử mà phải ké đến lực tương tác giữa chúng thì người ta vận dung các định luật tongquát luôn luôn nghiệm đúng với thực tiễn, không phụ thuộc vào tính chất chuyển động và sự tương

tác giữa các phan tử.

Bộ môn vật lý nghiên cứu những tính chat chung của vật chất liên quan chặt chẽ đến chuyên độngnhiệt bằng phương pháp nhiệt động lực học gọi là nhiệt động lực học

IV Những nguyên lý cơ bản của nhiệt động lực học:

Các nguyên lý của nhiệt động lực học còn được gọi là các định luật của nhiệt động lực học.

1 Nguyên lý 0

Nguyên lý 0, hay nguyên lý cân bằng nhiệt động, nói về cân bằng nhiệt động Hai hệ nhiệt độngdang nim trong edn bằng nhiệt động với nhau khi chúng được cho tiếp xúc với nhau nhưng không

có trao đôi năng lượng Nó được phát biểu như sau: "Nếu hai hệ có cân bằng nhiệt động với cùng

một hệ thứ ba thì chúng cũng cân bằng nhiệt động với nhau".

Với ngôn ngữ ít chính quy hơn, nội dung chính của nguyên lý thứ không lả: Mỗi vật có một tính

chất gọi là nhiệt độ Khi hai vật ở trạng thái cân bằng nhiệt với nhau, nhiệt độ của chúng bằng nhau,

Bây giờ chúng ta có thé bién nhiệt nghiệm của vật thành nhiệt kế va chắc rang số đọc của nó có ¥

nghĩa vật lý Chỉ còn việc chia độ cho nó là xong.

Chúng ta thường xuyên dùng nguyên lý thứ không trong phòng thí nghiệm.

Nguyên lý 0 được phát biểu muộn hơn những nguyên lý còn lại nhưng lại rất quan trọng nên đượcđánh số 0 Nguyên lý thứ 0, thì được gọi theo cách giải thích logic, vì đến sau mãi đến năm 1930nguyên lý mới ra đời, rất lâu sau nguyên lý 1 và 2 Vì khái niệm nhiệt độ là nền tảng của hai nguyên

lý nói trên nên nguyên lý thiết lập nhiệt độ thành một khái niệm vững chắc, phải có số thứ tự thấp

nhất đó la số 0.

Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S Luong Hạnh Hoa

Cân bằng nhiệt động bao hàm cả cân bằng nhiệt, cân bằng cơ học và cân bằng hoá học Đây cũng lànên táng của phép đo nhiệt.

2 Nguyên lý 1

Nguyên lý I hay định luật I, chính là nguyên lý bảo toàn năng lượng, khang định rằng năng lượng

luôn được bảo toàn Nói cách khác, tông năng lượng của một hệ kín là không đôi Các sự kiện xảy

ra trong hệ chang qua là sự chuyên năng lượng từ dang nay sang dang khác Nhu vậy năng lượngkhông thê sinh ra từ hư không, nó luôn biến đổi trong tự nhiên Trong toàn vũ trụ, tổng năng lượngkhông đổi, nó chỉ có thé chuyển từ hệ này sang hệ khác Người ta không thé "tạo ra" năng lượng

người ta chỉ "chuyển dang” năng lượng ma thôi

Phát biểu:

Nhiệt năng truyền vido một hệ bằng thay đổi nội năng của hệ cộng với công năng mà hệ sinh ra cho

moi truong.

O=AU+A

Hay: Không thé thực hiện được động cơ vĩnh cứu loại một

Nếu xét trong một quá trình kín — chu trình, thì nguyên lý I được phát biểu như sau:

Nếu hệ xáy ra biến đổi trạng thái theo một chu trình bất kỳ nào đó có thể xảy ra thì tông nhiệt lượngtrao đổi và công thực hiện trong chu trình đỏ phải bằng không Nội năng của hệ không đi.

AU= 0 hay O= A

Ý nghĩa:

Nguyên lý I của nhiệt động học cũng là một nguyên lý tông quát cho tất cả các lý thuyết vật lý (cơ

học, điện từ học, vật lý hạt nhân, ) Chưa từng thấy ngoại lệ của nguyên lý này, tuy rằng đôi khingười ta cũng nghỉ ngờ nó, nhất là trong các phan rã phóng xạ.

Nguyên lý I dong vai trò quan trọng trong việc nhận thức tự nhiên cũng như trong khoa học va kỹ thuật.

Nguyên lý I đã được nghiên cứu rất lâu với rất nhiều người, song chỉ có Angghen lả người dau tiên

đã nêu lên tính tổng quát của nguyên lý, ông khang định nguyên lý I chính là nguyên lý bảo toản vả biển đôi vận động vả kết luận : “Nguyén lý I là một quy luật tuyệt đối của thiên nhiên”,

Quá trình thiết lập nguyên lý I có liên quan chặt chẽ và có ý nghĩa quan trọng trong việc giải đáp

một van đẻ to lớn và hap dẫn trong lich sử vật lý là “ Có thé thực hiện được động cơ vĩnh cửu loại

một được không? ” Đó là loại động cơ có thé sinh công mà không tiêu thụ năng lượng nào cả hoặc

Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S Luong Hạnh Hoa

tiêu thụ một phan năng lượng ít hơn là công sinh ra Nguyên lý I của nhiệt động lực học đã cho thay

một động cơ như vậy không thẻ thực hiện được

thiệp từ bên ngoài.

Một số cách phát biêu nguyên lý II:

Thompson : “ Mét đồng cơ nhiệt không thé sinh công nếu như nó chỉ trao đổi nhiệt với một nguồnnhiệt duy nhất."

Hay nói cách khác: Không thể thực hiện được động cơ vĩnh cứu loại hai

Cách phát biêu nguyên lý H của Thompson có liên quan đến động cơ nhiệt

Clausius: “ Không thể ton tại một quả trình nhiệt động mà kết quả duy nhất là sự truyền nhiệt từ

mot nguon lạnh cho một nguồn nóng.

Cách phát biéu nguyên lý II của Clausius lại liên quan đến máy lạnh.

Cách phát biéu thứ ba ve nguyên lý II của Clausius liên quan đến entropy — cách phát biểu tổng quát nhất, vừa có tính chất định tính lại vừa có tính chất định lượng:

Một hệ lớn và không trao doi năng lượng với môi trường sẽ có entropy luôn tăng hoặc không đổi

theo thời gian,

Hay: Không có cách nao lam cho entropy của hệ và moi trưởng giảm.

Nguyên lý thứ hai không có gì mâu thuẫn với nguyên lý thứ nhất mà chỉ làm sáng tỏ thêm nguyên lýthứ nhất

Vì entropy là mức độ hỗn loạn của hệ, nguyên lý nảy nói rằng vũ trụ sẽ ngày cảng "hỗn loạn" hơn

Cơ học thông kê đã chứng minh rằng nguyên lý nay là một định lý, đúng cho hệ lớn va trong thời

gian dai, Đối với hệ nhỏ va thời gian ngắn, có thé có thay đôi ngẫu nhiên không tuân thủ nguyên lý

này Nói cách khác, không như nguyên lý I, các nguyên lý vật lý chi phối the giới vi mô chỉ tuân

theo nguyên lý II một cách gián tiếp và có tính thông kê Ngược lại, nguyên lý II khá độc lập so với các tính chat của các nguyên lý đó, bởi lẽ nó chỉ thé hiện khi người ta trình bay các nguyên lý đó

một cách giản lược hóa và ở quy mô nhỏ.

Ý nghĩa:

Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S Luong Hạnh Hoa

Nguyên lý II cho thấy nhiệt không thé tự động từ vật lạnh sang vật nóng hon và Entropy của hệ côlập không thẻ giảm Vậy ban chất của Entropy là gì?

Theo quan điểm động học thì Entropy là thước đo mức độ hỗn loạn của các phân tử trong hệ Điềunày do kết quả phù hợp với hai nguyên lý nhiệt động học Khi làm lạnh đăng tích một hệ thì hệ liêntục tỏa nhiệt ( Q < O ), Entropy của hệ giảm, tính chuyển động hỗn loạn của phân tử giảm hay tíchtrật tự tăng lên Khi chuyển pha từ khí sang long hay long sang rắn tương ứng với sự giảm nhảy bậccủa tính hỗn loạn của phân tử là sự giảm nhảy bậc của Entropy.

Cũng theo quan điểm động học phân tử, trạng thái vĩ mô của hệ có các thông số trạng thái xác định

là giá trị trung bình, nó bao gồm những sự thay thế nhau không ngừng của các trạng thái vi mô của

hệ Số trạng thái vi mô cho biết khả năng tồn tại của trang thái vi mô đó trong tong số các trạng thái

vĩ mô có thé xảy ra đổi với hệ Số trạng thái vi mô cảng nhiều thì khả năng xảy ra trạng thái vĩ môtương ứng cành nhiều, kí hiệu là W gọi 1a xác suất nhiệt động của trạng thái vĩ mô đó Thuyết độnghọc phân tử nêu phép tinh chính xác W vả công thức nỗi tiếng của Boltzmann về quan hệ giữa W va

S:

S = kInW , với k là hang so Boltzmann.

Đối với hệ vĩ mô cô lập, các quá trình biến đổi tự phat của nó đi theo chiều tiền tới trang thái cânbằng (quá trình không thuận nghịch), tức đi từ trạng thái ít khả năng tồn tại đến trạng thái có nhiềukhả năng ton tại hơn Nói khác, qua trình tự phát điển biến theo chiều tăng của xác suất nhiệt động

W Khi ở trạng thái cân bằng thì W đạt cực đại.Từ các lý luận trên ta luôn có:

AS>0

Đối với hệ có ít phân tử thì có thể xảy ra những thăng giáng, tức hệ có the tự phát biến đổi từ trạng thái có xác suất lớn sang trạng thái có xác suất nhỏ hơn, tức Entropy của hệ giảm Ví dụ chuyển

động Brown, sự bay hơi dưới nhiệt độ sôi,v.v Như vậy nguyên lý II chỉ áp dụng cho hệ vĩ mô

gồm một số lớn hạt trong đó ảnh hưởng của các thăng giáng có thẻ bỏ qua

4 Nguyên ly IT

Nguyên lý thứ ba, hay nguyên lý Nernst, còn gọi 14 nguyên lý độ không tuyệt đối, đã từng được ban

cãi nhiều nhất, gắn liền với sự tụt xuống một trạng thái lượng tử cơ bản khi nhiệt độ của một hệ tiền

đến giới hạn của độ không tuyệt đổi Nguyên lý này được phát biểu như sau:

Trạng thái của mọi hệ không thay đổi tại nhiệt độ không tuyệt đối (O°K)

Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S Luong Hạnh Hoa

Ở nhiệt độ không tuyệt đối, nội năng của hệ được phân bố cho các hạt tham gia tạo thành hệ đó theomột cách đuy nhất : các electron trong các nguyên tử ở mức năng lượng thấp nhất, các nguyên tửnằm tại các nút mạng tinh thé của vật rắn Trạng thái đó hoàn toàn trật tự và có xác suất nhiệt động

Ở nhiệt độ không tuyệt đối, các nhiệt đung bằng 0 :

limCŒ, = limŒ, =0

To ” T0Nhờ định lý Nernst, có thé tính được S của hệ ở nhiệt độ T :

[ooo

S

V May nhiét

Là thiết bị có thé nhận nhiệt và bien đổi nhiệt thành công (động cơ nhiệt ) và ngược lại có thé bién

đổi công thành nhiệt (bơm nhiệt, máy lạnh )

lL Phát minh máy nhiệt dau tiên — động cơ hoi nước:

Động cơ hơi nước là một loại động cơ nhiệt đốt ngoài sử dung nhiệt năng của hơi nước, chuyên

năng lượng nay thành công.

James Watt (1736-1819) - Nha phát minh người Scottland, đã có nhiều cải tiễn về máy hơi nước.

Nhưng cỗ máy hơi nước đầu tiên của nhân loại do Thomas Newcomen phát minh đã giúp nước

Anh đáp ứng nhu cầu năng lượng trong nửa dau thé kỷ 18, tạo điều kiện cho sự bùng nỗ của cuộc

cách mạng công nghiệp lần thứ nhất

a Cỗ máy hơi nước của Newcomen

Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S Luong Hạnh Hoa

H.A 1 Mô hình cỗ máy hơi nước Newcomen.

Nhiều mó khai khoáng thời đó được dao sâu đến nỗi nước thường xuyên tràn vào, gây nên tình

trạng ngập lụt Dé cỏ thé tiếp tục khai thác than người ta phải tìm ra biện pháp bom nước ra khỏiham Thực tế ấy khiến Newcomen trăn trở Ông muốn chế tạo một cỗ máy có kha năng bơm nước từ

thấp lên cao Năm 1712, Newcomen chế tạo thành công cái mà ông gọi la “cỗ máy không khí",

nhưng người ta thường gọi là cỗ máy hơi nước Nhiều học giả ở the kỷ 18 va 19 ghi lại rằng, ông đãmat 10-15 năm dé nghiên cứu nó

H.A 2 Hình vẽ thể hiện nguyên lý hoạt động của cỗ máy Newcomen Chuyên động lên xuống của pit-tông

được truyền sang máy bơm nhờ dn cân bằng.

Nguyên lý hoạt động của cỗ máy Newcomen rất đơn giản Hơi nước được đưa vào một xi lanh,

buộc pit-tông chuyên động ra ngoài Nước lạnh được phun vào pit-tông khiến hơi nước ngưng tụ va

tạo ra môi trường chân không Áp suất không khí buộc pit-tông quay trở lại vị trí ban đầu của nó Sau đó hơi nước lại tràn vào xi lanh de tiếp tục chu trình mới Công nang phát sinh từ chuyên động

Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S Luong Hạnh Hoa

qua lại của pit-tông được truyền tới máy bơm thông qua một đòn cân bằng Nhờ đó mà máy bơm có

thẻ hút nước liên tục

Cé máy của Newcomen được sử dụng rộng rãi tại hàng nghìn mỏ than trên khắp nước Anh va cứu nhiều chủ mỏ khỏi cảnh phá sản Nó giữ vị trí độc tôn suốt 3/4 the ky cho đến khi John Smeaton rồi

James Watt cải tiễn động cơ hơi nước

b Cé máy hoi nước của James Watt

Watt phát hiện máy hơi nước Newcomen tuy được ding rộng rãi nhưng nó cỏ rat nhiều điểm canđược cải tién Watt phát hiện máy hơi nước Newcomen còn hạn chế vì hơi nước chưa được sử dụng

triệt dé,

“Lam thé nào dé hơi nước do may hơi nước sinh ra được su dung triệt để?”

"Thiet kẻ bộ ngưng tụ hơi nước, lam cho hơi nước trực tiếp trở lại trạng thai nước ngay tứ ngoai xi lanh, nhì vay chăng phải xi lanh có thê duy trì được nhiệt độ tương đổi cao sao?"

Đề chế tạo được máy hơi nước kiều mới, Watt và các trợ lý của ông làm miệt mài không quản ngảyđêm nhưng kết quả vẫn chưa giảnh được thành công Watt không nản lòng, ông cảng nỗ lực hon,cuỗi cùng năm 1765 ông đã chế tạo thành công một chiếc máy hơi nước Loại máy hơi nước nàygiảm được 3/4 lượng than tiêu thụ so với máy hơi nước Newcomen mà hiệu suất nâng cao lên rấtnhiều Thành công lần nảy là sự cô vũ lớn đối với Watt, ông vẫn muốn trực tiếp cải tiễn một bước

nữa đề giảm lượng tiêu hao than xuông nữa, hiệu suat càng cao hơn.

Năm 1782, ông cho ra đời chiếc máy hơi nước mới đúng như ông đã suy nghĩ: Máy tiêu hao than ít,

hiệu suất làm việc cao Thành công phát minh ra loại máy hơi nước nay đã làm cho may hơi nước

Newcomen trở nên quá lạc hậu không còn chỗ đứng chân.

H.A 3 James Watt và động cơ hơi nước

Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S Luong Hạnh Hoa

May hơi nước do Watt phát minh nhanh chóng được str dụng rộng rãi Tàu thuyền, tàu hỏa dùng

máy móc hơi nước đua nhau ra đời, công nghiệp toàn thế giới nhanh chóng bước vào "Thai đại may

hơi nước ”.

Nhờ phát minh nay, nhà máy dét có thé đặt bat cứ nơi nào Không những thé phát minh này còn cóthé coi là mốc mở dau quá trình cơ giới hóa

Các động cơ hơi nước dau tiên được sử dụng như là bộ phận chuyền động sơ cấp của bom, dau máy

tàu hỏa, tàu thủy hơi nước, máy cày, xe tải và các loại xe cơ giới chạy trên đường bộ khác va 14 nền

tảng cơ bản nhất cho Cách mạng công nghiệp Các tuốc bin hơi nước, về mặt kỹ thuật cũng là một

loại động cơ hơi nước, ngày nay đang được sử dụng rộng rãi cho máy phát điện nhưng các loại cũ

hơn hau như được thay thé bằng động cơ đốt trong và động cơ điện

Một động cơ hơi nước cần một nồi hơi sipde dé dun nước sôi tạo hơi Việc giãn nở của hơi tạo mộtlực đây lên pittong hay các cánh tuốc bin và chuyên động thăng được chuyên thành chuyên độngquay dé quay bánh xe hay truyền động cho các bộ phận cơ khí khác Một trong những lợi thé củađộng cơ hơi nước là nó có thé sử dụng bat cứ nguồn nhiệt nào dé đun noi hơi nhưng các loại nguồn

nhiệt thông dụng nhất là đun củi than đá hay dầu hay sử dụng hơi nhiệt năng thu được từ lò phản

ứng hạt nhân.

H.A 4 Cỗ máy hơi nước vả ứng dụng trong thực tiễn

Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S Luong Hạnh Hoa

2 Động cơ nhiệt:

Động cơ nhiệt là những động cơ trong đó một phân năng lượng của nhiên liệu bị đốt cháy chuyênhóa thành cơ năng Các động cơ nhiệt đầu tiên là máy hơi nước, chúng có đặc điểm chung là nhiên liệu (củi, than, dau ) được đốt cháy ở bên ngoài xi lanh của động cơ Hang tram năm sau khi mayhơi nước ra đời mới xuất hiện động cơ đốt trong, là động cơ nhiệt mà nhiên liệu được đốt cháy ngay

ở bên trong xi lanh.

Hai bộ phận quan trọng của máy nhiệt là nguồn nóng có nhiệt độ cao T1 và một buồng chứa khí có

pitông nhận nhiệt dé biến thành công hữu ích nhờ din nén Chất khí trong buông được gọi là tácnhân, nó hoạt động theo chu trình: tác nhân nhận nhiệt, din pitông dé sinh công, hạ nhiệt độ dé trở

lại trạng thái ban đầu nhận nhiệt tiếp Thật sự thì các chu trinh vận hảnh của các máy nhiệt đều lả

các quá trình không thuận nghịch, song đề đơn giản có thé xem chúng là thuận nghịch

Giả thử trong một chu trình chất khí tác nhân nhận một lượng nhiệt Q, sinh một công hữu ích 4,hiệu suất của máy nhiệt là đại lượng sau đây:

n= 2

Q

Hiệu suất cho biết ti lệ (thường tinh bằng %) năng lượng nhiệt cung cấp đã biến thành công hữu ich

Nếu máy nhiệt chỉ gồm có nguồn nóng và buông khí tác nhân thì không hoạt động được Thật vậy,biến thiên entropy của hệ sau một chu trình là:

AS =AS + ASu = 40-2

1 1

trong đó AS là biển thiên entropy của nguôn nóng (lượng nhiệt nhận sau một chu trình là - Ó vinguồn tỏa nhiệt), biến thiên entropy của khối khí AS = 0 vi sau một chư trình tác nhân trở lại trạng

thái ban đầu Vì toàn bộ máy nhiệt là kín nên entropy phải tăng sau mỗi chu trình, giá trị âm của AS

là biêu hiện quá trình không thê dién ra.

Dé máy hoạt động được cần phải có thêm một bộ phận nữa: nguôn lạnh, có nhiệt độ 7 (7< qT), đê

tác nhân thải bớt nhiệt.

Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S Luong Hạnh Hoa

BY T\ / Nguồn nécg

ILA 5 Sơ dé động cơ nhiệtNguồn lạnh thường là môi trường không khí bên ngoài Giả thử nhiệt tỏa ra cho nguồn lạnh trongmỗi chu trình là Q’ (Ø' > 0) thì biến thén entropy sau mỗi chu trình bây giờ sẽ là:

AS =AS +AS, +AS, =—240+2 2 2

Trong biéu thức mỗi quan hệ giữa các đại lượng Ty T.,O, Q' phải đảm bao sao cho

AS > 0 thì máy nhiệt mới hoạt động được.

Khi có nguồn lạnh thì công hữu ich bằng A” = Ø - Q’, thay vào công thức ta sẽ được:

Động cơ nhiệt được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay, bao gồm từ những động cơ chạy bằng xăng hoặc đầu ma đút của xe máy, ô tô, máy bay, tàu hỏa, tàu thủy đến các động cơ chạy bằng các

nhiên liệu đặc biệt của tên lửa, con tàu vũ trụ, động cơ chạy bằng năng lượng nguyên tử của tảu

ngâm, tàu pha bang

3 May lạnh — bơm nhiệt

Thiết bị chuyển năng lượng đưới dang nhiệt lượng từ nơi lạnh sang nơi nóng gọi là máy lạnh Nhiệtlượng Q` được lấy đi từ nguồn nhiệt có nhiệt độ thấp và một công A nado đó được thực hiện trên hệ

do một tác nhân ngoải, năng lượng chuyền dưới đạng nhiệt lượng vả công được kết hợp lại vả đượcnhường dưới dang nhiệt lượng Q cho một nguồn có nhiệt độ cao Ví dụ trong tủ lạnh gia đình,nguồn nhiệt thấp là buồng lạnh, trong đó dé thực phẩm, da, Nguồn nhiệt cao 1a phòng, nơi đặt tủlạnh Công được ghi rõ trên bảng hướng dẫn sử dụng, thực hiện bởi mô tơ chạy máy Trong máy

Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S Luong Hạnh Hoa

điều hòa không khí nguồn nhiệt độ thấp là phòng cần làm lạnh, nguồn nhiệt độ cao là không khí bênngoài Trong đó đặt các cuộn ống ngưng tụ và như trên, công của máy lạnh là do mô tơ của máy

thực hiện.

H.A 6 Sơ 46 máy lạnh

Mục đích của ca tủ lạnh lẫn máy điều hòa không khí là chuyển năng lượng dưới dạng nhiệt từ mộtnguồn nhiệt độ thấp sang một nguồn nhiệt độ cao, sao cho công thực hiện trên hệ càng ít cảng tốt

Ta định giá trị của các máy như thé bằng hệ số chất lượng (hiệu suất của máy) định nghĩa là:

„-|@l lel

‘Al lel-lol

H.A.7 Máy lạnh lý tưởng

Các kỹ sư thiết kế, những người sử dụng đều muốn hiệu suât của máy lạnh cảng cao càng tốt Với tủlạnh gia đình giá trị điển hình là 5 còn với máy điều hòa không khí giá trị điển hình là khoảng 2 - 3

Hình (H.A 7) trình bày một máy lạnh lý tưởng, một máy làm lạnh ma không can tốn một công nảo

cả, nó có hiệu suất

bằng vô cùng

Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S Luong Hạnh Hoa

Kinh nghiệm lâu dài cho ta biết không thể chế tạo được những động cơ như vậy Vì vậy, một cách

khác đẻ diễn đạt nguyên lý thứ hai của nhiệt động lực học là không có

máy lạnh lý tưởng.

4 Động cơ ly tưởng

Không có động cơ lý tưởng Điều đó có nghĩa là không có động cơ có thực nào có hiệu suất 100%.Một câu hỏi còn lại là nếu không phải 100% thì hiệu suất cha một động cơ thực có thê là bao

nhiêu? Dé trả lời câu hỏi nảy ta phải xét kĩ các hoạt động chỉ tiết của động cơ

Khi nghiên cứu các chất khí, ta đã tránh mọi sự phức tạp của khí thực bằng cách đưa ra một ý tưởng

có ích: khí lý tưởng Ích lợi của nó nằm 6 sự kiện là khí lí tưởng là đại điện cho tính chất giới han

của khí thực Khi nghiên cứu động cơ, chúng ta cũng theo một cách như vậy Chúng ta tránh những

sự phức tạp của động cơ thực bang cách dựa vào một ý tưởng hữu ích khác: động cơ lý tưởng Theocách ma ta sẽ khai thác biéu diễn cách xử sự giới hạn của động cơ thực

Động cơ lý tưởng của ta gồm một bộ pitténg xi lanh chứa một chất khí lý tưởng Một nguồn nhiệt ởnhiệt độ T;, và một nguồn nhiệt khác ở nhiệt độ Tạ, và cũng có một giá đỡ cách nhiệt Khí lý tưởngtạo thành hệ ma ta có thể áp dụng các nguyên lý của nhiệt động lực học cho nó Xilanh với pittông

có tải trọng, giá cách nhiệt vả hai nguồn nhiệt tạo thành môi trường của hệ.

Đầu tiên chúng ta giá thiết rằng động cơ lý tưởng của chúng ta không có ma sát, không có chuyên động xoáy của chất lưu, và không có trao đồi nhiệt lượng mà ta không muốn Đó là tat cả những

điều hiển nhiên mà một kĩ sư chế tạo có gắng loại trừ Ngoài những điều đó ra, chúng ta còn giả

thuyết rằng, tất cả các quá trình tạo thành chu trình hoạt động của động cơ: mọi sự giãn, nén, thay

đổi nhiệt độ và áp suất đêu được tiễn hành hết sức chậm, có nghĩa là ta giả thiết đó là những quả trình chuan tĩnh Làm như vậy dé chắc răng hệ ở trạng thái cân băng nhiệt động tại mọi thời điểm và

ta có thé vẽ mọi trạng thái của hệ trên giản đỗ p — V

Một quá trình tiễn hành theo cách như thé gọi là quá trình thuận nghịch, mà cách thử nghiệm là quatrình có thé được tiễn hành theo chiều ngược lại chi cần tạo những sự thay đổi nhỏ, nói một cách chặt chẽ, những biến đổi vi phân của các điều kiện bên ngoài.

Chang hạn néu ta tử từ tải bỏ trọng khỏi pittông chịu tai, lam giãn khi ra, ta có thé tại mỗi giai đoạn

~ quyết định thêm hay cho bớt gia lượng phụ tải, như vậy chuyên sự giãn thành nén.

Vi mọi quá trình của nó 1a thuận nghịch, nên toàn bộ chu trình cũng là thuận nghịch.

Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S Luong Hạnh Hoa

Điều đó có nghĩa là, nễu muốn một động cơ có thé chạy theo chiều ngược như một máy lạnh lýtưởng, sự trao đôi nhiệt và công thay doi vẻ dấu, nhưng không thay đổi vé độ lớn Dong cơ lý tường

của ta là một động cơ thuận nghịch Thật vậy, nó lý tưởng chính là ở chỗ đó

5 Hiệu suất của động cơ nhiệt làm việc theo một chu trình bất ky

Gia sử có một chu trình bat kỳ thuận nghịch biểu dién bằng đường cong kin ABCD.

H.A.7 Động cơ nhiệt làm việc theo chu trình bat ky (đường cong ABCD)

Ta tưởng tượng chia chu trình này thành một số rat lớn các chu trình Carnot thuận nghịch nguyên to rất hẹp Khi thực hiện tất cả các chu trình Carnot thuận nghịch này thì có những phần của mỗiđường đoạn nhiệt được đi qua hai lần theo hai chiều ngược nhau nên khử nhau Chỉ còn lại nhữngđường đăng nhiệt và những bờ của đường đoạn nhiệt, chúng tạo thành những đường gãy kín Nhưvậy một chu trình bat kỳ thuận nghịch bao giờ cũng được phân tích thành một day các quá trìnhđăng nhiệt và đoạn nhiệt Tăng số chu trình Carnot nguyên tó lên vô hạn thì giới hạn đường gãykhúc kín này sẽ trùng với đường cong kín biểu điễn chu trình thuận nghịch bất kỳ đã cho.

Vậy ta có thé coi một chu trình thuận nghịch bat kỳ là một tập hợp rất nhiều các chu trình Carnot thuận nghịch nguyên tố Mỗi chu trình Carnot thuận nghịch nguyên tổ thứ k được thực hiện giữa hai

nguồn nhiệt Tạ, và Tx, , nói chung các giá trị T;¿ và Tx khác nhau tay theo mỗi chu trình.

Theo công thức, hiệu suất của chu trình Carnot thứ k là :

Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S Luong Hạnh Hoa

Thật vậy néu gọi AA, la công ma tác nhân sinh ra va AQ), là nhiệt lượng ma tác nhân nhận được tử

nguồn nóng Ty, của chu trình Carnot nguyên tố thứ k, ta có:

Nghia là hiệu suất 77, của chu trình bat kỳ thuận nghịch không thé lớn hơn hiệu suất của chu trình

Carnot thuận nghịch thực hiện giữa các nguôn nhiệt T; va T› (T¡ va T> là các nguồn nhiệt có nhiệt

độ cao nhất và thấp nhất của chu trình thuận nghịch bat kỳ đang xéU Đối với chu trình bất kỳ không

thuận nghịch tức là những chu trình trong đó có những đoạn không thuận nghịch thì khi ta phan chia

chư trình này thành các chu trình Carnot nguyên tố, ta sẽ có những chư trình Carnot không thuận

nghịch ứng với các đoạn không thuận nghịch của chu trình Hiệu suất của chu trình bắt kỳ khôngthuận nghịch ( ký hiệu ?,„ ) lại càng nhỏ hơn so với trường hợp thuận nghịch Vì vậy ta có thê viết:

Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S Luong Hạnh Hoa

hơn nữa là càng gan với chu trình Camot thuận nghịch, ngoài ra cũng có thé tăng hiệu suất động cơnhiệt bằng cách làm cho sự chênh lệch giữa nhiệt độ nguồn nóng và nguồn lạnh càng lớn

VI Đông cơ đốt trong

1 Động cơ dot trong

Động cơ đốt trong là một loại động cơ nhiệt tạo ra công cơ học bằng cách đốt nhiên liệu bên trong

động cơ Các loại động cơ sử dung dòng chảy dé tạo công thông qua đốt cháy như tuốc bin khí vacác động cơ đốt bên ngoài xy lanh thi đụ như máy hơi nước hay động co Stirling không thuộc vẻđộng cơ đốt trong.

Nguyên tắc hoạt động cơ bản:

Hỗn hợp không khí và nhiên liệu được đốt trong xy lanh của động cơ đốt trong Khi đốt cháy nhiệt

độ tăng làm cho khí đốt giãn nở tạo nên áp suất tác dụng lên một pit tông đây pit tông này di chuyển

đi.

Có nhiều loại động cơ đốt trong khác nhau, một phần sử dụng các chu kỳ tuần hoàn khác nhau Tuyvậy tat cá các động cơ đốt trong đều lặp lại trong một chu trình tuần hoàn chu ky làm việc bao gồm

bốn bước: nạp, nén, nô vả xả Xa và nạp là hai bước dùng dé thay khí thai bằng khí mới Nén và nỗ

dùng dé biến đổi năng lượng nhiệt do nhiên liệu cháy thành năng lượng cơ (động năng trong chuyên

động quay).

2 Phân loại động cơ dot trong

Trong lịch sử chế tạo động cơ đã có rất nhiều phương án được phác thảo vả hiện thực nhưng lại

không phủ hợp với các cách phan loại dưới day, thí du như động cơ Otto với bộ phun nhiên liệu trực

tiếp hay các loại động cơ hoạt động theo nguyên tắc của động cơ Diesel nhưng lại có bộ phận đánhlửa Các phương pháp chế tạo lại có thê được kết hợp rất đa dạng, thí dụ như động cơ có dung tích

nhỏ với pit tông tron và điều khiển qua khe hở theo nguyên tắc Otto hay động cơ diesel 2 thì có

dung tích lớn với bộ điều khién bang van (động cơ dicsel của tàu thủy) Phan phân loại tong quátnày không liệt kê những trường hợp đặc biệt nhằm dé tránh sự khó hiểu

a Theo quy trình nhiệt động lực học

« Động co Otto

Dong cơ xăng hay động co Otto (lay theo tên của Nikolaus Otto) là một dang động cơ đốt trong,

thông thường được sử dụng cho ô tô, máy bay, các máy móc di động nhỏ như may xén cỏ hay xe

máy cũng như làm động cơ cho các loại thuyền và tàu nhỏ.

Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S Luong Hạnh Hoa

Nhiên liệu của của các động cơ xăng là xăng Phổ biến nhất của động cơ xăng là động cơ bốn thì.Việc đốt cháy nhiên liệu được diễn ra trong buông đốt bởi một hệ thống đánh lửa được tắt mở theo

chu ky Nơi đánh lửa là bugi có điện ap cao Động cơ hai thì cũng được sử dụng trong các ứng dụng

nhỏ hơn, nhẹ hơn, và rẻ tiền hơn nhưng nó không hiệu quả trong việc sử đụng nhiên liệu

Nguyên tắc hoạt động của động co Otto:

Chuyên động của pit tông ở thì thứ nhất, hai và bon là nhờ vào năng lượng được tích trữ bởi bánh đả gắn ở trục khuỷu trong thì thứ ba Một động cơ bốn thi vì thé có góc đánh lửa là 720° tính theo gócquay của trục khuỷu tức là khi trục khuyu quay hai vòng thì mới có một lần đánh lửa Có thêm

nhiều xy lanh thì góc đánh lửa sẽ nhỏ đi, năng lượng đốt được đưa vào nhiều hơn trong hai vòng

quay của trục khuỷu sẽ làm cho động cơ chạy êm hơn.

Do trong lúc khởi động chưa có đà nên trục khuyu phải được quay từ bên ngoài bằng một thiết bịkhởi động như đây (máy cưa, động cơ của ca nô), cần khởi động (mô tô), tay quay khởi động ở các

ô tô cô hay một động cơ điện nhỏ trong các mô tô vả 6 tô hiện đại

Việc thay thé khí thai bằng hỗn hợp khí mới được điều khién bằng trục cam Trục nay được gắn với

trục khuyu, quay có giảm tốc 1- 2, đóng va mở các van trên đầu xy lanh của động cơ Thời gian trục

khuỷu đóng và mở các van được điều chỉnh sao cho van nạp và van xa được mở củng một lúc trongmột thời gian ngắn khi chuyên từ thi xả sang thì nạp Khí thải thoát ra với vận tốc cao sẽ hút khí mớivào buông đốt nhằm nạp khí mới vào xy lanh tốt hon va tăng áp suất đốt.

Một trong những thành phan của các động cơ xăng cũ là bộ chế hòa khí (hay còn gọi là cacbuaratơ)

nó trộn xăng lẫn với không khí Trong các động cơ xăng sau này, nó đã được thay bằng việc phun

nhiên liệu.

Động cơ xăng được phát triển vào cuối thé kỷ 19 bởi Nikolaus August Otto, dựa trên một động cơ

ba thì có công suất yếu hon rất nhiều của Etienne Lenoir Thay đổi cơ bản là thêm vào một thì nén khí Thiết kế đầu tiên của Otto không có nhiều điểm tương tự với các động cơ ngảy nay Day là một

động cơ ở ngoài không khí, tức là hỗn hợp khí và nhiên liệu nỗ day pittông bắn ra ngoài bay tự do

và chỉ trên đường quay lại pittông (hay ap suất không khí) mới tạo ra công.

Nam 1876, Otto đăng ký bang phát minh tại Đức cho một động cơ đốt trong bao gồm ca nguyên tắc

bon thì.

Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S Lương Hạnh Hoa

Gottlieb Daimler và Carl Benz tai Đức va Siegfried Marcus (ở Wien (Ao) đã độc lập với nhau chế

H.A 8 Nikolaus August Otto và động co Otto

¢ Dộng co Diesel

Động cơ Diesel là một loại động co đốt trong Sự cháy của nhiên liệu - dau diesel, xảy ra trongbuông đốt khi pittong đi tới gan điểm chết trên trong kỳ nén, là sự tự cháy dưới tác động của nhiệt

độ và áp suất cao của không khí nén.

Động cơ Diesel đo một kỳ sư người Đức, ông Rudolf Diesel, phát minh ra vào ndm1892 Chu trình làm việc của động cơ cũng được gọi lả chu trình Diesel.

Do những ưu việt của nó so với động cơ xăng, như hiệu suất động cơ cao hơn hay nhiên liệu điesel

rẻ tiên hơn xăng, nên động cơ Diesel được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp, đặc biệt

trong ngảnh giao thông vận tải thủy và vận tải bộ.

b Theo cách thức hoạt động

Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S Luong Hạnh Hoa

e Phuong pháp 4 thì:

Mỗi một giai đoạn hoạt động diễn ra trong một thì Một thì ở đây là một lần đây của pit tông, tức 1amột lần chuyên động lên hay xuống của pít tông Trong một chu kỳ hoạt động 4 thì, trục khuỷuquay 2 lan Việc thay đổi khí được đóng kín có nghĩa là hỗn hợp khí mới va khí thai được tách hoàn

toàn ra khỏi nhau Trong thực tế hai khí này tiếp xúc với nhau trong một khoảng thời gian ngắn

¢ Phuong pháp 2 thi:

Trong phương pháp hai thi ca bốn giai đoạn đều hoạt động nhưng chỉ trong 2 lần chuyển động của

pit tông (2 thì) vi một phan cua hai giai đoạn nạp va nén được tiên hanh ra bên ngoài xy lanh Trục

khuyu chi quay một vỏng trong một chu kỳ làm việc Thay đôi khí mở tức la hai hỗn hợp khi mới vảkhí thai bị trộn lan với nhau một phan

300 51 Seb =4

Moxiel of 0 tour-strake engine Model of 4 tero-stroke engine

H.A 10 Động co 4 thi va động cơ 2 thi.

Ung dụng:

Động cơ 2 thì được sử dụng phan lớn ở các ứng dụng mà giá tiền của động cơ (cau tạo đơn giản) va

mật độ năng lượng cao quan trọng hơn là tiêu thụ năng lượng và bảo vệ môi trường, trước tiên lả

cho những động cơ có dung tích nhỏ như ở các loại xe gắn máy nhỏ, máy cua, mô hình có động cơ

trong thé thao đua mô tô và các động cơ cho tàu thủy.

e Theo cách tạo hỗn hợp không khí vả nhiên liệu

e Tạo hỗn hợp bên ngoài:

Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S Luong Hạnh Hoa

Nhiên liệu vả không khí được hòa vào nhau ở ngoài xy lanh, sau đó được đưa vào xy lanh và nén

lại Đại diện đặc trưng cho loại nảy là động cơ Otto có bộ chế hòa khí hay động cơ hai thì Nếu nhiệt

độ động cơ qua cao, thời điểm đánh lửa quá sớm hay vi tự bốc cháy hỗn hợp này có thé gây ra nỗ

không kiểm soát được lam giảm công suất và gây hư hại cho động cơ Trong lúc được nén lại nhiên

liệu phải bốc hơi một phan đẻ có thé cháy rất nhanh ngay sau khi đánh lửa, tạo vận tốc vòng quay

nhanh.

¢ Tạo hỗn hợp bên trong:

Chỉ có không khí được đưa vào vả nén lại trong xy lanh, nhiên liệu được phun vào sau đó Do

không có nhiên liệu nên không xảy ra việc tự cháy vì thé ma có thé tăng hiệu suất bằng cách tăng độ

nén nhiêu hơn Đánh lửa bằng cách tự bốc cháy (động cơ diesel) hay bằng bộ phận đánh lửa (động

cơ Otto có bộ phận phun liêu nhiệu trực tiếp hay ở các động cơ có thé dùng nhiều loại nhiên liệukhác nhau) Sau khi được phun vào nhiên liệu cần một thời gian nhất định để bốc hơi vì thé ma vận

Công ty khai sinh ra động cơ đa nhiên liệu đốt ngoải là Cyclone Power Technologies đặt tru sở tại

thành phố Pompano Beach, bang Florida do ông Harry Schoell làm giám đốc Động co Cyclone 1a kết quả của nhiều năm trời nghiên cứu, nhờ đó ông Schoell đã được cấp 2 bằng sáng chế và II bằng

khác.

Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S Lương Hạnh Hoa

Từ khi ra đời, động cơ đa nhiên liệu đốt ngoài Cyclone đã tạo lên một hình anh mới mẻ trong thégiới xe hơi Kích thước nhỏ gọn, hiệu quá tôi ưu và phù hợp với công nghệ hiện đại chính là nhữnglợi thé của Cyclone

H.A 11 Động cơ Cyclone đốt chảy nhiên liệu trong khoang ngoài dưới áp suất khí quyền và bên ngoài

xi-lanh.

b Bản chất

Cyclone là loại động cơ đốt ngoài tái sinh nhiệt theo chu trình Rankine Nói một cách cụ thẻ, loại

động cơ này có khả năng biến nhiệt thành công năng Nguyên tắc hoạt động của Rankine Cycle hiệnđang được sử dụng đề sản xuất ra 80% nguồn điện cho thế giới hiện đại gói trọn trong một đặc điểmduy nhất: chạy bằng mọi loại dung dịch

Phù hợp cho động cơ Cyclone, đặc điểm này đồng nghĩa với khả năng sử dụng mọi loại nhiên liệu

miễn 1a sinh nhiệt

c Nguyên tắc hoạt động

Nguyên tắc của loại động cơ đốt trong truyền thong là đốt cháy nhiên liệu đưới áp suất cao bên

trong xi-lanh Trái lại, động cơ Cyclone đốt nhiên liệu trong khoang ngoài dưới áp suất khí quyênbên ngoai xi lanh Nhiệt sinh ra từ quá trình đốt nhiên liệu được sử dụng để biến nước thành hơi Như vậy có nghĩa là động cơ chạy bằng hơi nước chứ không phải bằng nhiên liệu.

Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S Luong Hạnh Hoa

Murvine

—

H.A 12 Nguyên tắc hoạt đông của Cyclone dựa theo chu trình Rankine với

đặc điểm thú vị nhất là chạy bằng mọi loại dung dich.

Theo hang Cyclone Power, nguyên liệu cần thiết dé tạo hơi nước không nhất thiết phải là nhiên liệu Động cơ Cyclone có thé sử dụng bat cứ thứ gì từ vỏ cam, tảo đến nhiên liệu hóa thạch như butan,khí tự nhiên và than bột Quá trình bắt đầu từ khâu nguyên tử hóa nhiên liệu và bơm nó vào trongbuông đốt ly tâm Giống như mọi loại động cơ khác, bugi sẽ đốt cháy nhiên liệu tạo ra ngọn lửaxoay xung quanh cuộn đây nhiệt Nước chứa trong bản thân cuộn dây nhiệt sẽ được chuyển hóa

thành hơi chỉ trong vòng Š giây.

Sau đó, hơi nước sản sinh sẽ truyền tới 6 xi-lanh đưới áp suất rất lớn, làm pittong chuyên động tương tự trong động cơ thông thường Một điểm tha vị của công nghệ này là động cơ không can bat

cứ dung địch bôi tron nao dé hoạt động Nước sẽ đóng vai trỏ là nhiên liệu hoạt động và dau bôi trơn Bên cạnh đó, động cơ cũng không cần đi kèm bộ khởi động do cách thiết ke đặc biệt của hệthông van

Các pittong chuyển động xuống nhờ áp lực của hơi nước sẽ xoay quanh vòng bi hình sao, từ đóxoay trục khuyu Động cơ được nối trực tiếp với hệ dẫn động bỏ qua hộp số, nhờ đó tăng mô menxoắn ngay từ vòng quay đầu tiên

Sau khi hoan thành nhiệm vụ của mình và đây pittong xuống, hơi nước đi qua cửa xả hướng đến bộ

ngưng dé chuyên về thành nước Nước tập trung trong lòng chảo tring cuối bộ ngưng dé chuẩn bịmột chu kỳ mới Bom sẽ đưa nước tử long chảo trũng tới cuộn day nhiệt va bắt đầu quá trình tiếp

theo.

Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S Lương Hạnh Hoa

H.A 13 Ông Harry Schoell - Giám đốc của công ty Cyclone Power

Technologies đã được cắp hai bằng sáng chế nhờ phát minh ra động

cơ Cyclone.

d Ứng dụng

Sau khi tìm hiểu về nguyên tắc hoạt động của loại động cơ khá ấn tượng nảy, chúng ta sẽ bàn đến

các ứng dung của nó trong thực tế Nhà sản xuất đang dy định cho ra đời 5 phiên ban của động cơ

Cyclone: Mark II, III, VI, WHE va Solar 1 Loại dùng trong nganh công nghiệp xe hơi là Mark V

với công suất gan 100 mã lực rat lý tưởng cho dong xe chờ khách còn Mark VỊ sở hữu công suất

330 mã lực sẽ dùng trên xe tải và xe trọng tải lớn.

Động cơ Cyclone chạy bằng mọi loại dung dịch miễn là có bugi đánh lửa và sinh nhiệt Về mặt lýthuyết, lượng nước nhỏ sử dụng đẻ chạy pittong không cần phải thay Động cơ không cần sự có mặt

của đầu bôi tron, bom dau, bộ khởi động và ca hộp số Sự vắng mặt của những bộ phận không thé

thiếu trong dòng xe hiện dai ngày nay cũng đông nghĩa với chi phí sản xuất thấp cho mẫu xe ứng

dụng động cơ Cyclone.

Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S Luong Hạnh Hoa

H.A 14 Nhờ đặc tính không thai ra khí động va sử dụng nước lam nhiên liệu,

Cyclone hứa hẹn sẽ 1a loại động cơ cực thân thiện với môi trường.

Động co Cyclone có the hoạt động bang bat cứ loại nhiên liệu sinh học nào ma không can trộn lẫnvới nhiên liệu hóa thạch Không dau bôi trơn cũng có nghĩa là không can thay dầu Nhiệt độ đốtcháy thấp trong động cơ sẽ loại bỏ nguy cơ sản sinh khi NO, độc hại.

Bên cạnh đó, chúng ta cũng nên nhắc đến một số nhược điểm của động cơ Cyclone Nói một cáchtrung thực, động cơ Cyclone gan như không có bat cứ nhược điểm nào ngoai tiếng ồn Chính động

cơ Cyclone đã gióng lên một hồi chuông mới mẻ trong thé giới xe hơi Kích thước nhỏ gọn, hiệuquả tối ưu và phủ hợp với công nghệ hiện đại chính là những lợi thế không thẻ chối cãi của

Cyclone.

VHI Một số chu trình nhiệt động lực học

! Chu trình Carnot

Chu trình Carnot là một chu trình nhiệt động lực học được nghiên cứu bởi Nicolas Léonard Sadi

Camot và sau đó là Benoit Paul Émile Clapeyron Các nghiên cứu này có mục đích là tìm kiếm một

chu trình nhiệt động lực học có hiệu suất cao nhất, và chu trình Carnot đã được chứng minh là chutrình dành cho các động cơ nhiệt hay máy lạnh có hiệu năng tốt nhất Đây cũng là nội dung của định

lý Carnot.

Chu trình Carnot cũng là một chu trình thuận nghịch Người ta cũng đã chứng minh rằng mọi chutrình nhiệt động lực học thuận nghịch đều là chu trình kết hợp của các chu trình Carnot nhỏ hơn

Trong số các chu trình hoạt động cla máy nhiệt thì chu trình Carnot có ý nghĩa đặc biệt hơn cả Day

là một chu trình gôm hai qua trình đăng nhiệt và hai qua trình đoạn nhiệt kế tiếp xen kẽ nhau (Hình)

Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S Luong Hạnh Hoa

9 H.A 15 Chu trình Carnot

Quá trình từ trạng thai (1) đến trạng thái (2) là quá trình đăng nhiệt, buồng khí tiếp xúc với nguồnnóng nhiệt độ Ty thé tích tăng lên day pitông ra va áp suất giảm đi Đến trang thái (2), nhờ một cơ

che riêng, khối khí tác nhân dain đoạn nhiệt đến trạng thái (3), thé tích vẫn tăng và áp suất giảm tiếp,kết quả là nhiệt độ giảm đến 7 ` bằng nhiệt độ môi trường (tức là nguồn lạnh) Do tác dụng của

nguôn lạnh, khôi khí co lại đăng nhiệt theo quá trình từ (3) đến (4) và kéo pitông vào Quá trình tiếptheo từ (4) đến (1) là nén đoạn nhiệt, nhờ cơ chế riêng nêu trên, đưa chất khí tác nhân trở về nhiệt độ

bằng nhiệt độ nguồn nóng và lại tiếp xúc với nguồn nóng.

Ta tính hiệu suất của chu trình Carnot, Các phương trình của 4 quá trình thành phan là:

Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S Luong Hạnh Hoa

Trước hết ta dé dang tính được rằng các công thực hiện trong quá trình giãn đoạn nhiệt: (2) — (3)

và nén đoạn nhiệt (4) — (1) sẽ bù trừ cho nhau nên công A của chu trình sẽ chi là tông đại số cáccông của hai quá trình đăng nhiệt:

Các động cơ nhiệt hoạt động theo chu trình Carnot sẽ đạt hiệu suất cao nhất, tuy nhiên chu trình

Camot chi 1a một chu trình lý thuyết lý tưởng rất khó thực hiện được trong thực tế Thật vậy, đẻ

thực hiện hai quá trình đăng nhiệt trong chu trình Carnot thì hai quá trình đó phải diễn ra rất chậm

sao cho hệ luôn luôn ở điều kiện cân bang nhiệt, điều này không thích hợp và không có ý nghĩa thựctiễn trong việc chế tạo động cơ nhiệt

Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S Luong Hạnh Hoa

Trong thực tế các động cơ nhiệt thường hoạt động theo các chu trình Otto và Diesel

2 Chu trình Otto

H.A 1ó Chu trình Otto

Các động cơ đốt trong ( xe 6 tô, xe gắn máy ) thường hoạt động theo chu trình Otto Hoạt độngcủa động cơ đốt trong theo chư trình Otto như sau:

Tại điểm 1 thì hỗn hợp hơi nhiên liệu và không khí đã được đưa vào xylanh Hỗn hợp khí được nénđoạn nhiệt đến điểm 2 và sau đó được đốt cháy Một lượng nhiệt Qy được đưa vào hệ thống tronggiai đoạn BC (đăng tích) từ năng lượng của nhiên liệu bị đốt cháy Tiếp đó hệ được làm giãn nỡđoạn nhiệt đến điểm D Lúc này hỗn hợp khí được làm lạnh và nhiệt độ hạ xuống bằng nhiệt độ của

môi trường xung quanh trong giai đoạn DA Trong giai đoạn này một lượng nhiệt OQ, |được động cơnhả ra môi trường xung quanh Trong thực tế, lượng khí được động cơ thải bỏ ra ngoài và không

quay trở lại động cơ nữa tuy nhiên một hỗn hợp không khí và nhiên liệu mới lại được đưa vào động

cơ vi vậy ta có thé coi đây là một chu trình kín

Tóm lại chu trình Otto gồm hai quá trình đăng nhiệt và hai quá trình đăng tích

Chúng ta hãy tính hiệu suất của động cơ hoạt động theo chu trình Otto,

Vi các quá trình 23 va 41 là các quá trình đăng tích nên trong các quá trình đó hệ không sinh

công vả các nhiệt lượng Qx và Q; được tính:

Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S Luong Hạnh Hoa

(trong đó r 1a hệ số nén — ti số các thé tích cuối và dau).

Chia hai về các phương trình trên cho VỲ” ta được:

Biéu thức trên chứng tỏ hiệu suất của động cơ luôn nhỏ hơn 1 Với hệ số nén r = 8 va y=l.4(y của

không khí) thì hiệu suất N= 0.56 hay 56% Hiệu suất của động cơ có thé tăng lên bằng cách tăng hệ

số nén r Tuy nhiên việc nảy sẽ kéo theo sự tăng của nhiệt độ ở giai đoạn cuối của qua trình nén

đoạn nhiệt từ 12 làm cho hỗn hợp không khí và nhiên liệu tự phát nô sớm và có thê gây ra hỏngđộng cơ Hệ số nén cực đại r vào khoảng 10 Hệ số nén cao hơn có the được sử dụng với các nhiênliệu có pha thêm các chất phụ gia chống nô.

Các tính toán trên đã bỏ qua tất cả ma sat, chuyên động xoáy, sự mat mát nhiệt ở thành xi lanh Do

đó hiệu suất thực tế của các động cơ đốt trong thường thấp hơn chỉ vào khoảng 35%.

Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S Luong Hạnh Hoa

3 Chu trình Diesel:

Hoạt động của động cơ Diesel cũng tương tự như hoạt động của động cơ đốt trong Diém khác biệtquan trọng nhất là ở các giai đoạn đầu của qua trình nén đoạn nhiệt thì trong xylanh chưa có nhiênliệu Chỉ trước thời điểm động cơ sinh công một chút ít thì nhiên liệu mới được bơm vào xylanh vớitốc độ bom rất nhanh sao cho áp suất trong xylanh gần như không thay đổi trong giai đoạn đầu củaquá trình sinh công Do nhiệt độ cao trong quá trình nén đoạn nhiệt nên nhiên liệu được đốt cháymột cách tự động khi nó được phun vào, do đó động cơ Diesel không cần bộ phận đánh lửa

Chu trình Diesel gồm hai quá trình đoạn nhiệt, một quá trình dang áp và một quá trình đắng tích.

Chu trình bắt đầu tại 1, không khí được nén đoạn nhiệt tới điểm 2, được nung nóng đăng áp tới điểm

3 (trong giai đoạn 2 - 3 nhiên liệu được phun rất nhanh vào xylanh va tự động được đốt cháy) Sau

đó hệ được giản nỡ đoạn nhiệt đến điểm 4 và được làm lạnh đăng tích cho đến điểm 1 và kết thúc

chu trinh.

Vì rằng trong động cơ Diesel không có mặt nhiên liệu trong giai đoạn nén đoạn nhiệt nên sự đánh

lửa sớm không xuất hiện và do đó hệ số nén r lớn hơn rất nhiều so với động cơ đốt trong Điều nàylàm tăng đáng kẻ hiệu suất của động cơ Trong thực tế, ở các động cơ Diesel giá trị của r từ 10-20

và với =l.4 thì hiệu suất lý thuyết cla động cơ Y Diesel vào khoáng từ 65% đến 70% Cũng

như động cơ đột trong, hiệu suất thực tế của động cơ Diesel thấp hơn các giá trị trên Các động cơDiesel có hiệu suất cao hơn các động cơ đốt trong vả cũng thường nặng hơn và khó khởi động hơn

Động co Diesel không can bộ chế hỏa khí cũng như bộ phận đánh lửa nhưng hệ thống bơm nhiều

nhiên liệu đỏi hỏi trình độ chế tạo cơ khí đạt độ chính xác cao

Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S Luong Hạnh Hoa

4 Chu trình Brayton

Chu trình Brayton là một chu trình nhiệt động lực hoc, đặt tên theo George Brayton (1830-1892),

một kỹ sư người Mỹ, người đã phát triển nó

Năm 1872, Brayton đăng ký bang sáng chế cho động cơ đốt trong mang tên "Ready Motor" Khônggiống với chu trình bốn thì của động cơ Otto hay động cơ Diesel, động cơ của Brayton dùng một

xylanh nén khí riêng vả một xylanh giãn nở riêng.

Ngày nay, chu trình Brayton là nguyên lý hoạt động của động cơ tuốc bin khí Giống như với cácđộng cơ đốt trong khác, chu trình Brayton là hệ mở, dù cho trong nghiên cứu nhiệt động lực học,đôi khi có thé đặt giả thuyết rằng khí thải ra được ding lại dé ở đầu vào, dé hệ tương đương với hệ

kín.

Chu trình Brayton còn được biết đến với tên gọi chu trình Joule.

Động cơ với chu trình Brayton có ba thành phan:

- Máy nén khí

- Buong trộn khi với nhiên liệu

- Buông giãn nở

Trong động co Brayton của thé ky 19, không khí được hút vào máy nén khí chạy bằng pittong va

xylanh, và quá trình nén có thé coi một cách lý tưởng là dang entropy Khí nén được đưa sangbuông trộn dé hòa với nhiên liệu, tạo áp suất không đổi (quá trình dang áp) Hỗn hợp khí nhiên liệu nóng và cao áp được đánh lửa trong buông giãn nở và năng lượng trong phản ứng hóa học giữakhông khí và nhiên liệu được giải phóng, làm hỗn hợp giãn nở, day pittong của buông giãn nở, theoquá trình đăng entropy Một phan công năng sản sinh bởi buồng giãn nỏ được cung cấp cho máy

nén khí, thông qua các tay quay

Ngày nay chu trình Brayton được nhắc đến trong động cơ tuốc bin khí

Không khí được hút vao buông nén, được lảm tăng áp suất theo quá trình gan với đăng entropy Khí

đã nén chạy sang buồng đốt, nơi nhiên liệu được phun vào và đánh lửa, lảm tăng nhiệt độ khí trongmột quá trình đăng áp, do buồng đốt mở thông cho dòng chảy vào và ra, Khí ở áp suất va nhiệt độ

cao được giãn nở tại buông giãn nở day các cánh quạt của tuốc bin; theo quá trình giãn nở đăng

entropy Một phần công năng cung cap cho tuốc bin được ding vào việc nén khí ở buông nén khí.

Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S Luong Hạnh Hoa

Ị

| Nhiên liệu

|

| thải

H.A 18 Chu trình Brayton

1-2: Nén dang entropy tại máy nén;

2-3: Gia nhiệt đăng áp tại buông đốt;

3-4: Giãn nở sinh công dang entropy tại tuốc bin;

4-1: Khép kín chu trình đăng áp bên ngoài môi trường

Trên thực tế, quá trình nén khí và giãn nở không thực sự đẳng entropy; và công năng bị hao hụttrong các quá trình này làm giảm hiệu suất nhiệt động lực học của động cơ

Công có ich do động co sinh ra được thé hiện bằng điện tích hình khép kín | — 2 — 3 = 4 Diện tíchnày cảng lớn thì công có ich và hiệu suất càng lớn, đề tăng điện tích nảy thì phải tăng áp suất saumáy nén của điểm 2 - 3 (áp suất của điểm 4 - 1 là áp suất môi trường không thé giảm xuống được) nên hiệu suất động cơ được quyết định bằng tỷ số nén Việc tăng tỷ số nén giúp cải thiện hiệu suất

vả công suất của hệ thông Brayton

Các cải tiến sau có thẻ thực hiện dé làm tăng hiệu suất của động cơ kiêu Brayton:

- Gia nhiệt nhiều giai đoạn: dong khí sau khi đã đi qua buông giãn no, lại được đưa qua buồng đốt

thứ hai dé gia nhiệt trước khi cho qua tầng giãn nở cuỗi Việc nảy làm tăng công suất cho một tỷ sốnén nhất định, ma không can tăng tỷ số nén vượt quả ngưỡng chịu đựng cúa kim loại hay vật liệu

cầu tạo nên động cơ Chú ý là phương pháp này không phải là phương pháp đốt tăng lực, một

phương pháp làm tang công suất, nhưng làm giảm đáng kê hiệu suất

- Lam lạnh khí nén: dong khí sau khi đi qua buồng nén thứ nhất, được làm lạnh, rồi lại cho qua

buông nén thứ hai, trước khi đi vào buồng đốt Việc nảy tuy đòi hỏi nhiều nhiên liệu hơn trong

buông đốt để làm tăng nhiệt độ dòng khí lên tương đương so với các động cơ Brayton thông thường,

nó làm giảm nhiệt dung riêng của dòng khí trước khi đi vào buông nén thứ hai Nhờ vậy, quá trìnhnén gan với quá trình nén dang nhiệt làm tăng tỷ số nén với cùng một công suất nén Điêu nay dam đến giảm công cần nén khí, và lợi thé tổng cộng trong tiêu hao năng lượng.

Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S Luong Hạnh Hoa

- Tái tạo : đòng khí thải còn nóng của động cơ được cho qua buông trao đổi nhiệt với dòng khí saumáy nén trước khi đi vào buông đốt Việc này giúp tiết kiệm nhiên liệu, giảm hao tốn nhiệt

Ngoài ra, nhiệt lượng của khí thải cũng có thé dùng dùng cho mục đích khác, như hâm nóng nước

trong các hệ thông vũ trụ Chu trình Brayton cũng có thé được kết hợp với chu trình Rankine, tạo rachu trình kết hợp có hiệu suất tông cộng cao hơn

5 Chu tinh Stirling

H.A 19 Chu trinh Stirling

Dé xây dựng chu trình lý thuyết của động co Stirling, chúng ta có the minh hoa cau trúc động co

như trên hình với những giả định như sau:

Môi chất công tác là khí lý tưởng (có nhiệt dung riêng không đôi va tuân theo phương trình trạng

thái PV= nRT).

Nhiệt độ trong buông giãn nở luôn được duy trì 6 trị số Trax, nhiệt độ trong buông nén luôn được duy trì ở trị số Twin Bộ hồi nhiệt nhận nhiệt và nha nhiệt theo chu ky và luôn có một gradient nhiệt

độ T¿v- Tein qua mặt cắt ngang của bộ hoi nhiệt.

Không có không gian chết, tức là coi không gian nói giữa buồng nén và buồng giãn nớ bằng không.

Bỏ qua các tồn thất đo ma sát khí các pittong chuyên động va sự rò ri của môi chất công tác.

Gia sử điểm dau của chu trình tương ứng với thời điểm pittong đang ở điểm chết dưới (vị trí ngoàicùng bên phái) va pitong giãn nở đang điểm chết trên (vị trí trong cùng, gan sát với bộ hồi nhiệt).Tất cá môi chất công tác lúc đó đang ở trong buông nén,thé tích môi chất công tác là cực đại, vì vậy

áp suất và nhiệt độ của môi chat công tác có trị số nhỏ nhất, tương ứng với điểm | trên đô thị p-V

Trong quá trình nén, pittong nén đi chuyển về phía điểm chết trên và pittong giãn nở được xem như

là đứng yên Môi chất công tác bị nén lại trong buông nén,thé tích của nó giảm, áp suất tăng lên,

Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S Luong Hạnh Hoa

nhiệt độ được duy trì không đổi ở trị số T„„ do được làm mát Nhiệt lượng truyền từ buông nén ra

môi trường xung quanh là Qc.

Quá trình nén lý thuyết được biéu diễn bằng đoạn 1- 2 trên đô thị.

Trong quá trình tiếp theo, cả hai pittong đều di chuyển đồng thời: pittong nén tiếp tục đi chuyên vẻ phía điểm chết trên, còn pittong giãn nở thì đi chuyền vẻ phía điểm chết dưới Môi chất công tác di

chuyền từ buông nén sang buông giãn nở với thê tích không đôi Trong khi di qua bộ hỏi nhiệt, môi chat công tác được sấy nóng từ nhiệt độ T„ạ„„ lên đến nhiệt độ Tạ bởi lượng nhiệt nhận từ bộ hỏinhiệt Khi đi qua bộ cấp nhiệt, môi chất công tác được đốt nóng lên đến nhiệt độ Ty và đi vàobuông giãn nở Sự gia tăng nhiệt độ khi đi qua bộ hồi nhiệt và bộ cấp nhiệt ở thé tích không đổi sẽlàm gia tăng áp suất

Như vậy, quá trình cấp nhiệt cho môi chất công tác diễn ra trong điều kiện đăng tích và được biểudiễn bằng đoạn 2- 3 Quá trình này kết thúc khi pittong nén tới điểm chết trên

Tiếp thco, pittong nén sẽ đứng yên tại điểm chết trên, pittong giãn nở tiếp tục bị môi chat công táctrong buông giãn nở đây vẻ phía điểm chết dưới Thẻ tích của môi chất công tác tăng lên, áp suất giảm xuống nhưng nhiệt độ vẫn được duy trì ở trị số T do môi chất công tác tiếp tục được cấpnhiệt lượng Q; từ bộ cấp nhiệt

Giai đoạn này được biểu diễn bang đoạn 3- 4 Thời điểm cuỗi của quá trình là khi pittong giãn nởtới điểm chết dưới.

Quá trình của chu trình là quá trình trong đó cả hai pittong đều địch chuyên vẻ phía trai dé đưa môi

chất công tác từ buông giãn nở sang buông nén Khi đi qua bộ hỏi nhiệt, môi chất công tác nha nhiệt

cho bộ hoi nhiệt, nhiệt độ của nó giảm xuống giá trị Twin và đi vào buông nén Quá trình này đượcthé hiện bằng đoạn 4- 1

Như vậy, chu trình lý thuyết của động co Stirling được cấu thành từ bốn quá trình nhiệt động cơ bản

Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S Luong Hạnh Hoa

6 Chu trình Rankine

Chu trình Rankine là một chu trình gần giống chu trình Carnot , tác nhân của chu trình là nước,(

động cơ hơi nước hoạt động theo chu trình Rankine).

H.A 20 Chu trình Rankine

Thoạt đầu nước ở nhiệt độ T› (nhiệt độ ở buông ngưng hơi) và áp suất p; (áp suất ở buồng ngưnghơi) Lượng nước được bơm vào trong nồi hơi, quá trình này được coi như quá trình nén đoạnnhiệt, gần đăng tích từ áp suất pạ đến áp suất p; và biểu diễn bằng đường | - 2

Vào nôi hơi, nước được ho nóng dang áp đến nhiệt độ T; của nôi hơi, quá trình đó biểu diễn bằngđường Đạt đến nhiệt độ T, , nước sôi và bốc thành hơi Quá trình này vừa gan giống đăng áp vàvừa giống đăng nhiệt, và biểu diễn bing đường 2 - 3

Tiếp theo là quá trình giãn nở đoạn nhiệt theo đường 3 - 4 tới áp suất p; Cuối cùng là quá trình làm

lạnh dang áp 4-1 đến trang thái ban dau, hơi nước ngưng tụ thành nước lỏng và nhiệt độ không

thay đôi

Chu trình Rankine chỉ khác chu trình Carnot rất ít, hầu hết các quá trình trong chu trình là dangnhiệt và đoạn nhiệt và có thé coi như là thuận nghịch Vì thé hiệu suất của nó có thé tính gần đúngbằng biểu thức của chu trình Carnot:

Q-0 T-T,

= =

9 T

Q, là nhiệt lượng nhận vao và Q› là nhiệt lượng toa ra trong chu trình.

Muốn làm tăng hiệu suất của động cơ hoạt động theo chu trình Rankine, người ta tăng nhiệt độ T›

và giảm nhiệt độ T›.

Chu trình Rankine có một nhược điểm là trong quá trình giãn nở hơi nước luôn bão hòa Vì thể

Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S Luong Hạnh Hoa

trong quá trình đoạn nhiệt, một phan hơi nước bị ngưng tụ thành nước lỏng, nước lòng này có thé

phá hủy động co Dé tránh tình trạng này, người ta dùng biện pháp quá nhiệt, và chu trình bây giờ

sẽ khác với chu trình Carnot Tuy nhiên sự sai khác đó không đáng kẻ, va hiệu suất của động cơcăn ban vẫn phụ thuộc vao nhiệt độ của nguồn nóng T; và nguồn lạnh Tà

Và hiệu suất của động cơ hơi nước hoạt động theo chu trình Rankine thường không quá 12%

IX Máy nhiệt và cuộc cách mang công nghié

Việc phát minh ra các máy nhiệt có một tam ánh hướng vô cùng quan trọng với lịch sử của các cuộc

cách mạng công nghiệp.

H A 21 Máy nhiệt vả cuộc cách mạng công nghiệp

Cách mạng công nghiệp là cuộc cách mang trong lĩnh vực sản xuất; là sự thay đôi cơ bản các điềukiện kinh tế-xã hội, van hóa và kỹ thuật, xuất phat từ nước Anh sau đó lan tỏa ra toàn thé giới.Trong thời kỳ nay, nên kinh tế giản don, quy mô nhỏ, dựa trên lao động chân tay được thay thé bằng

công nghiệp và chế tạo máy móc quy mô lớn Tên gọi "Cách mạng công nghiệp" thường dùng để

chỉ giai đoạn thứ nhất của nó diễn ra ở cudi thé ky 18 và đầu the kỷ 19

Cuộc cách mạng bắt đầu với sự phát triển sản xuất hàng hóa của ngành công nghiệp dét Sau đó, với

nhu cầu cung cấp máy móc và năng lượng cho công nghiệp đệt, các kỳ thuật gia công sắt thép đượccải thiện và than đá sử dụng với khối lượng lớn Thương mại mở rộng tạo điều kiện cho sự ra đờicủa kênh đảo giao thông va đường sắt Bên cạnh đó, đường giao thông được nâng cấp lớn cho hoạt

động giao thương nhộn nhịp Động cơ hơi nước sử dụng nhiên liệu than và máy móc dẫn động bằng

cơ khí đã đưa đến gia tăng năng suất lao động đột biến Sự phát triển các máy công cụ trong hai thập

kỷ đầu của the kỷ 19 tạo thuận lợi cho lĩnh vực chế tạo máy, phục vụ những ngành sản xuất khác

Anh hưởng của nó diễn ra ở Tây Âu và Bắc Mỹ trong suốt thé kỷ 19 và sau đó là toàn thé giới Tác

động của cách mạng công nghiệp là vô cùng sâu rộng.

Cách mạng công nghiệp lần thứ hai bắt đầu khoảng 1850, khi các tiền bộ kinh tế và kỹ thuật cóđược nhờ phát triển tàu hơi nước, đường sắt Đến cuối thé kỷ 19, động lực của Cách mạng côngnghiệp là động cơ đốt trong và máy móc sứ đụng điện Năm 1914, giai đoạn thứ hai này kết thúc